"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Цинк — металл, который используют для защиты стали от коррозии, изготовления сплавов и получения важных соединений. Его атом имеет конфигурацию внешних подуровней 3d¹⁰4s², поэтому в соединениях цинк обычно отдаёт два электрона и проявляет степень окисления +2. Металл реагирует с кислотами с выделением водорода, а его оксид и гидроксид проявляют амфотерность: взаимодействуют и с кислотами, и со щелочами. Эти свойства позволяют объяснить характерные реакции цинка и его соединений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Цинк — химический элемент Zn с атомным номером 30, расположенный в 4-м периоде и 12-й группе периодической системы. Его атом имеет электронную конфигурацию внешних подуровней 3d¹⁰4s², а в соединениях цинк обычно проявляет степень окисления +2. Это помогает предсказывать формулы его солей и понимать, сколько электронов участвует в реакциях.
Амфотерность — способность вещества реагировать и с кислотами, и со щелочами. Для цинка это свойство прежде всего характерно для ZnO и Zn(OH)₂, которые с кислотами дают соли, а со щёлочами — растворимые комплексные соединения. По амфотерности можно отличить их от оксидов и гидроксидов, проявляющих только основные или только кислотные свойства.
Оксид цинка ZnO — твёрдое соединение цинка с кислородом, которое получают, например, сжиганием металла на воздухе. Он реагирует с кислотами и со щелочами, поэтому его относят к амфотерным оксидам. Знание этих реакций нужно, чтобы правильно выбирать реагенты для получения солей и подтверждать свойства вещества опытом.
Гидроксид цинка Zn(OH)₂ — малорастворимое основание, которое получают действием щёлочи на раствор соли цинка. Сначала выпадает осадок, но в кислоте он растворяется, а при избытке щёлочи также переходит в раствор. Такое поведение показывает амфотерность и объясняет, почему количество добавленной щёлочи влияет на наблюдаемый результат.
Цинк находится в d-блоке периодической системы, а его внешний электронный уровень содержит два электрона на подуровне 4s. При образовании обычных соединений эти электроны отдаются, и появляется ион Zn²⁺ с устойчивой конфигурацией 3d¹⁰. Поэтому для цинка характерна степень окисления +2, а формулы многих соединений можно составить, уравнивая заряды ионов.
В металлическом цинке частицы связаны металлической связью: положительные ионы находятся в общем электронном облаке. При комнатной температуре цинк — твёрдый серебристо-серый металл, сравнительно хрупкий; при нагревании он становится более пластичным. Металл используют для цинкования стали, поскольку покрытие замедляет коррозию, а также для получения сплавов; применение соединений цинка зависит от их свойств и назначения.
В разбавленных кислотах, которые не являются окислителями, цинк отдаёт электроны, а ионы водорода принимают их и превращаются в газообразный H₂. Например: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; сокращённое ионное уравнение — Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂. Цинк здесь восстановитель, а H⁺ — окислитель; с кислотами-окислителями могут образовываться другие продукты, и водород обычно не выделяется.
Цинк взаимодействует и с некоторыми растворами щелочей, потому что амфотерные свойства металла позволяют образовывать растворимые комплексные соединения. В избытке NaOH возможна реакция Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂. Формулы продуктов в школьных задачах могут записывать через гидроксоцинкат, но смысл реакции один: цинк переходит в раствор, а электроны восстанавливают воду с выделением водорода.
При нагревании цинк реагирует с кислородом: 2Zn + O₂ → 2ZnO. Амфотерность полученного оксида подтверждают две разные реакции: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O и ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]. В первой реакции оксид ведёт себя как основный, во второй — как кислотный, поэтому одного взаимодействия с кислотой для доказательства амфотерности недостаточно.
Если к раствору соли цинка прибавить щёлочь, ионы Zn²⁺ связывают гидроксид-ионы и образуют малорастворимый осадок: Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓. В кислоте осадок нейтрализуется, а в избытке NaOH растворяется с образованием [Zn(OH)₄]²⁻. Значит, наблюдение сначала осадка, а затем его исчезновения при дальнейшем добавлении щёлочи связано с двумя разными реакциями гидроксида.
Таблица связывает строение вещества с наблюдаемыми свойствами и примерами реакций. При подготовке к задачам сначала определите, какое вещество реагирует и в каких условиях, а затем выберите подходящую строку. Особенно полезно сравнивать реакции металла, оксида и гидроксида: одинаковые реагенты не означают одинаковые продукты.
| Объект или свойство | Характеристика | Пример реакции или применения |
|---|---|---|
| Положение в периодической системе и строение атома | 4-й период, 12-я группа; 3d¹⁰4s²; обычная степень окисления +2 | Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ |
| Физические свойства цинка | Серебристо-серый твёрдый металл, хрупкий при комнатной температуре | Цинкование стали защищает её от коррозии |
| Реакции цинка с кислотами | С неокисляющими кислотами выделяется водород | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ |
| Реакции цинка со щелочами | В избытке щёлочи образуются растворимые комплексы | Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂ |
| Оксид цинка: получение и амфотерность | Образуется при окислении; реагирует с кислотами и щёлочами | 2Zn + O₂ → 2ZnO; ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O |
| Гидроксид цинка: получение и амфотерность | Осадок при смешивании растворов соли цинка и щёлочи; растворяется в избытке щёлочи | Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓ |
| Применение цинка и его соединений | Металл используют для покрытий и сплавов; соединения имеют разные практические применения | Цинковое покрытие стали уменьшает её коррозию |
Условие. Записать уравнение реакции цинка с разбавленной соляной кислотой и определить окислитель и восстановитель. В этой реакции важно проследить, какие частицы отдают электроны и какие их принимают. Поскольку соляная кислота не является окислителем, ожидаемый газообразный продукт — водород.
Ответ. Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; восстановитель — Zn, окислитель — H⁺ из HCl. Проверка коэффициентов показывает, что атомов каждого элемента с обеих сторон поровну.
Условие. К раствору соли цинка добавили немного NaOH, а затем избыток щёлочи. Нужно указать наблюдения и записать уравнения, не предполагая заранее, что осадок останется при любом количестве реагента. Соль цинка содержит катионы Zn²⁺, которые сначала соединяются с гидроксид-ионами.
Ответ. Сначала выпадает осадок Zn(OH)₂, затем в избытке NaOH он растворяется. Причина — амфотерность гидроксида цинка и образование растворимого комплексного иона.
Условие. Смесь Zn и ZnO обработали избытком разбавленной H₂SO₄; по объёму водорода требуется найти состав смеси. Числовые значения массы смеси, объёма газа и условий измерения не заданы, поэтому получить конкретные доли нельзя. Можно вывести нужную зависимость и указать, какие данные подставлять.
Ответ. Количество цинка равно количеству выделившегося H₂, а ZnO водород не образует. Чтобы получить численный состав смеси, необходимы объём водорода и масса смеси (или другой достаточный набор данных).
Ошибка: считать, что в соединениях цинк обычно имеет степень окисления +1. Так можно решить из-за попытки перенести свойства других металлов, однако внешние электроны цинка дают устойчивый ион Zn²⁺. Проверяйте заряд по типичным формулам, например ZnCl₂ и ZnO: в обоих соединениях цинку соответствует +2.
Ошибка: называть ZnO только основным оксидом. Реакция с кислотой действительно напоминает поведение основного оксида, но это не отменяет реакции со щёлочью. Чтобы проверить классификацию, ищите оба типа взаимодействия: ZnO реагирует и с кислотой, и с избытком щёлочи.
Ошибка: записывать реакцию Zn(OH)₂ со щёлочью, не указывая избыток реагента и комплексный продукт. Простое смешивание растворов сначала даёт осадок, а для его растворения нужна достаточная концентрация OH⁻. Проверяйте, образуется ли в уравнении растворимый комплекс [Zn(OH)₄]²⁻ и соблюдены ли атомы и заряд.
Ошибка: путать реакции цинка и ZnO с кислотой. Металл окисляется, поэтому с неокисляющей кислотой выделяется H₂; оксид нейтрализует кислоту, образуя соль и воду. Сверяйте реагент и продукты: наличие водорода в формуле продукта не означает, что выделится газ H₂.
Для объяснения поведения цинка нужны знания о строении атома, периодическом законе, степенях окисления и окислительно-восстановительных реакциях. Уравнения взаимодействия с кислотами и щелочами опираются на свойства кислот, оснований и солей, а сокращённые ионные уравнения показывают, какие частицы действительно реагируют. Амфотерность цинка помогает изучать алюминий и другие амфотерные металлы; осаждение Zn(OH)₂ также связано с качественными реакциями на ионы металлов.
Почему цинк относят к переходным элементам, если его d-подуровень заполнен?
Цинк находится в d-блоке периодической системы, поэтому в школьной классификации его относят к переходным элементам. Однако атом Zn и обычный ион Zn²⁺ имеют заполненный d-подуровень 3d¹⁰, поэтому цинк не проявляет многих характерных для переходных металлов свойств, например разнообразия степеней окисления.
Почему цинк реагирует со щёлочью, хотя считается металлом?
Цинк проявляет амфотерные свойства: при определённых условиях он взаимодействует не только с кислотами, но и со щелочами. В избытке щёлочи образуются растворимые комплексные соединения цинка, например гидроксоцинкат натрия: Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂.
Как экспериментально отличить ZnO от основного оксида?
К образцу добавляют щёлочь, например раствор NaOH, и при необходимости нагревают. ZnO реагирует со щёлочью с образованием растворимого гидроксокомплекса, тогда как типичный основной оксид так не реагирует. Также ZnO растворяется в кислоте, но эту пробу проводят вместе с проверкой действия щёлочи.
Почему осадок Zn(OH)₂ растворяется при добавлении избытка щёлочи?
Гидроксид цинка амфотерен и реагирует с избытком гидроксид-ионов. При этом образуется растворимый комплексный ион [Zn(OH)₄]²⁻, поэтому белый осадок исчезает: Zn(OH)₂ + 2OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻.
В каких случаях при реакции цинка с кислотой водород не выделяется?
Водород обычно не выделяется при взаимодействии цинка с кислотами-окислителями, например с азотной кислотой: окислителем становится анион кислоты, а продуктами восстановления могут быть оксиды азота или другие вещества. В таких реакциях состав продуктов зависит от концентрации кислоты и условий. С оксидом цинка водород тоже не образуется, потому что ZnO — соединение, а не металл.
§ 26. Цинк
